Перекись водорода считают "зелёным" реагентом: при разложении она оставляет воду и кислород. Но её промышленное производство энергоёмко и оставляет заметный углеродный след. Альтернатива - фотокатализ: материал поглощает свет и использует его энергию для реакции без ископаемого топлива.

Исследователи из Института коллоидов и поверхностей Общества Макса Планка в Потсдаме вместе с международными коллегами предложили управлять не составом фотокатализатора, а расположением его "строительных блоков". Работа опубликована в журнале Advanced Materials.

Для этого взяли органико-неорганические ионные сокристаллы - соединения, в которых ионы уже упорядочены. При нагревании кристаллы превращаются в конечный материал, и заданный порядок сохраняется. Полученный фотокатализатор назвали CALiK: это кристаллический нитрид углерода класса полигептазинимидов, содержащий ионы лития и калия в контролируемом окружении.

"Эти кристаллы были известны, но мы первыми использовали их как прекурсоры для нитридов углерода", - говорит руководитель исследования Кристиан М. Пеликано. По его словам, кристаллы содержат те же компоненты, что и обычные прекурсоры, но ионы в них уже расположены определённым образом.

В обычных методах ионы вводят беспорядочно, например через расплав соли, что даёт лишь ограниченный контроль. Сравнительные эксперименты с материалами, полученными другими способами, помогли оценить влияние именно стратегии синтеза.

В протестированных условиях CALiK произвёл примерно втрое больше перекиси водорода, чем традиционно приготовленный KPHI, и примерно на 40% больше, чем лучший материал с одним типом катионов CALi. При свете с длиной волны 410 нанометров квантовый выход составил 58% - доля фотонов, превращающихся в электроны, участвующие в реакции. Это лучший показатель среди сравнённых катализаторов.

"Важны не только тип и количество ионов, но и их положение в решётке", - отмечает первый автор Анна Ло Прести. Спектроскопия и электрохимические измерения показали, что в CALiK заряды, возникающие под действием света, разделяются эффективнее и дольше остаются доступными для реакции с кислородом.

Расчёты указывают, что распределение ионов лития меняет электронное окружение и облегчает активацию кислорода. Однако они основаны на упрощённых моделях и не полностью отражают реальный материал. Тем не менее работа показывает, как оптимизировать полимерные фотокатализаторы уже на стадии синтеза.

Источник: Phys.org